光电耦合器件

装在黑色树脂外壳内构成光电耦合器件。图6-28（b）者将发光器
件与光电器件封装在金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器 件与光电接收器件靠得很近，但不接触。
光电耦合器件的电路符号 如图6-29所示，图中的发光二 极管泛指一切发光器件，图中 的光电二极管也泛指一切光电 接收器件。 图6-30所示为几种不同封装 的光电耦合器，图中（a）、 （b）、（c）分别为三种不同安 装方式光电发射器件与光电接收 器件分别安装器件的两臂上，分 离尺寸一般在4~12mm，分开的 目的是要检测两臂间是否存在物 体，以及物体的运动速度等参数。 这种封装的器件常被称为光电开 关。
Uf(t)= 2 A/π cos2πFt
如图6-38所示，继电器开关干 扰常由绕组与接触点间的寄生
(6-22)
电容Cs窜入光电耦合器件的输
入端。图6-38(b)所示为它的交 流等效电路。
设继电器绕组与接触点间的寄生电容Cs为2pF，则等效内阻Zo为
1 1 (6-23) 106 () 2FCs 2 设使光电耦合的最小输入电流为1mA，发光二极管的正向压降为1V， 故，等效输入阻抗Z=lkΩ 。显然，Z＜＜Z。在该回路内，当瞬时电 流达到1mA时，干扰源的基波幅值为 Z0
在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线性工作区；
传输比β。
光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出 与输入电流之比值，但有本质的差别。光电耦合器件内的输入电流 使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光
电二极管或光电三极管）接收到的光产生的光电流，可用α IF表示，
经可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电
耦合器件。
(2)输入与输出间的绝缘电阻RFC
光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器 的隔离电阻一般在109 1013Ω 之间。它与耐压密切相关，它与β的
~ 关系和耐压与β的关系一样。
• 3.光电耦合器件的抗干扰特性
(1)光电耦合器件抗干扰强的原因 ① 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω~1kΩ；而干扰 源的内阻很大，为103~106Ω。按分压比计算，能够馈送到光电耦 合器件输入端的干扰噪声变得很小。
6.4 光电耦合器件
将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成具有信号传输功 能的器件称为光电耦合器件。光电耦合器件的发光件常用LED发光 二极管、LD半导体激光器和微形钨丝灯等。光电接收器件常用光电 二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。由于光电耦合器件的 发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。因此，在实际 应用中它具有许多特点，成为重要的器件。
三极管中必有一个不导通，使得输 出信号为“0”，故为与门逻辑电路， Uo= Ui1· Ui2。 光电耦合器件还可以构成与非、
或、或非、异或等逻辑电路。
图6-41所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为13.5V的HTL 逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为+5V电源，后边的 输出部分依然为抗干扰特性高的HTL电路。 将这些电源与逻
其中α 与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距
离等参数有关的系数，通常称为光激发效率。
图6-32所示为光电耦合器件的电流传输比 β 随发光电流IF 的变化曲线。在IF较小时，耦合器件的光电接收器件处于截止
区，因此β 值较小；当IF变大后，光电接收器件处于线性工作
状态，β 值将随IF增加，而后，IF再增大，β 反而会变小，因 为发光二极管发出的光不总与电流成正比。图 6-33 是 β 随环
(3) 最高工作频率fm
频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性，由
发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最
高工作频率fm接近于10MHz，其他组合的频率响应相应降低。
图6-35示出了一个光电耦合器件的频率曲线。图中RC为光电耦合 器的负载电阻，显然，最高工作频率fm与负载电阻值有关。减小负 载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率fM增高。
⑸ 实用性强
具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般φ 6×6mm)，重
量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温
度范围在－55~+l00℃之间。
⑹ 即具有耦合特性又具有隔离特性
它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电 平匹配、电平转移等功能；
• 6.4.2 光电耦合器件的特性参数
工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不 尽相同，如TTL的电源为5V，HTL为12V，PMOS为－22V，CMOS 则为5~20V。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对 电平进行转换，以便逻辑控制的实现。
图6-39所示为利用光电耦合器 件实现PMOS电路的电平与TTL电路 电平的转换电路。光电耦合器件不 但使前后两种不同电平的脉冲信号 耦合起来而且使输入与输出电路完
但相应的Δ IC1，变化量却很小。这样，β 值很明显地要变小。同理，
因此，在传送小信号时，用直
流传输比是不恰当的，而应当用所 选工作点Q处的小信号电流传输比 来计算。这种以微小变量定义的传 输比称为交流电流传输比。
用β来表示。即
β=ΔIc/ΔIF╳100%
(6-20)
对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，β值很接近值。 对于开关使用状态，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而 且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流电流
光电耦合器件的主要特性为隔离特性与传输特性。
1.传输特性
光电耦合器件的传输特性就是输入与输出间的特性，它用下列 几个性能参数来描述。
（1）电流传输比β
在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极 如图6-31所示为光电耦合器件的输出特性曲线，在其中部取一工作 点Q，它所对应的发光电流为 IFQ，对应的集电极电流为ICQ，
• 6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号
用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件的种类 都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。本节仅介绍几种 常见的结构。
• 1. 光电耦合器件的结构
光电耦合器件的基本结构如图6-28所示，图6-28（a）为发光 器件（LED）与光电接收器件（光电二极管或光电三极管等）被封
合器要比成锐角的耦合器作用距离远。 图中（f）DIP封装形式的光电耦合器件。这种封装形式的器 件有多种，可将几组光电耦合器封装在一片 DIP中，用作多路信 号隔离传输。
• 3. 光电耦合器件的特点 ⑴ 具有电隔离的功能
它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出 回路的电子零位可以任意选择。绝缘电阻高达1010~l012Ω ，击穿电
压高达100~25kV，耦合电容小于1PF。
⑵ 信号传输方式
信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于
模拟信号和数字信号。
⑶ 具有抗干扰和噪声的能力
它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性 元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。
⑷ 响应速度快
一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频 率在直流至10MHz之间。
1 3 U f (t ) 10 (V) 2
值为
(6-24)
根据式（6-22），可求出使光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅
Umin=250V
在实际应用中，继电器工作在30V以下，继电器开关引起的干扰脉 冲绝不可能高于250V ，因此，不会干扰耦合器。
6.5 光电耦合器件的应用
6.5.1 用于电平转换
境温度的变化曲线。
(2) 输入与输出间的寄生电容CFC
这是输入与输出端之间的寄生电容。当CFC变大时，会使光电 耦合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后 面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件， 其CFC仅仅为几个pF，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工 作，但在高频电路中就要予以重视了。
管的注入电流IF之比定义为光电耦合器件的电流传输比，用β 表示。
因此该点的电流传输比为
βQ=ICQ/ IFQ╳100%
（6-19）
如果工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然发光电流IF变化了Δ IF， 当工作点选在接近饱和区Q3点时，β 值也要变小。这说明工作点选 择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β 值。
（4）脉冲上升时间tr和 下降时间tf
光电耦合器在脉冲电压信号的作用下 的时间响应特性用输出端的上升时间tr和 下降时间tf描述。如图6-36所示为典型光 电耦合器件的脉冲响应特性曲线。
• 2.隔离特性
(1) 输入与输出间隔离电压BVCFO
光电耦合器的输入（发光器件）与输出（光电接收器件）的隔离 特性可用它们之间的隔离电压BVCFO来描素。一般低压使用时隔离 特性都能满足要求，在高压使用时，隔离电压成为重要的参数。已
(2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算
在向光电耦合器输送信息(例如矩形脉冲信号)的同时，不可避 免地进入干扰信号。这些干扰信号由系统自身产生的干扰、电源脉 动干扰、外界电火花干扰以及继电器释放所产生的反电势的泄放干
扰等。干扰信号包含各种白噪声和各种频率的尖脉冲，且以继电器
等电磁电器的开关干扰最为严 重。பைடு நூலகம்些干扰信号的波形如图 6-37（a）所示。设每个干扰 脉冲宽度为1μs，重复频率为
② 由于干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小， 只能形成很弱的电流。而发光二极管只有在通过一定的电流时才 能发光。因此，被它抑制掉。
③ 光电耦合器件的输入、输出是用光耦合的，且被密封在管 壳内，不会受到外界光的干扰。
④ 光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小(为0.5 ~ 2pF)， 绝缘电阻大(为1011~1013Ω )，因而输出系统的各种干扰噪音很难通 过光电耦合器件反馈到输入系统。
全隔离。
• 6.5.2 用于逻辑门电路
利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，图6-40所示为两个光 电耦合器组成的与门电路，如果在输入端Ui1和Ui2同时输入高电平
"1"，则两个发光二极管GD1和GD2都发光，两个光敏三极管TD1和
TD2都导通，输出端就呈现高电平“1”。若输入端Ui1或Ui2中
有一个为低电平“0”，则输出光电
在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、
接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等
外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠
性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。
• 6.5.4 可控硅控制电路中的应用
可控硅整流器，或SCR，是一种很普通的单向低压控制高压的 器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是由一种很 普通的SCR发展改进的器件，它也可用于光触发形式。将一只SCR 和一只LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的SCR；而 将一只双向可控硅和一只LED密封在一个封装中就可以制成一只光 耦合的双向可控硅。
图中（d）反光型光电耦合器，LED和光电二极管封装在一
个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角，LED发出的光被 测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型光电耦合器。 图中（e）为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极管 平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位置上放置
的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这种反光型光电耦
500kHz。经过傅立叶变换，得
到含有各种频率的序列余弦函 数
U(t)=A/2+ (2 A/π) cos2πFt－ (2 A/3π) cos2π3Ft+ (2 A/5π) cos2π5Ft… (6-21)
由上式可以看出，其的直流分量为
升高逐级减弱。
误差。
A ，交流分量的幅度随频率的 2
可以用一次分量来近似地表示整个的交流分量 而不会带来太大的
辑电平不同的部
分耦合起来需要 采用光电耦合器。
输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL 电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电 耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介。
• 6.5.3 隔离方面的应用
有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采 用光电耦合器。图6-41所示电路中表明了光电耦合器件的又一个 重要的功能，即隔离功能。
思考题与习题6
6.8 举例说明光电耦合器件可以应用在哪些方面？为什么计算 机系统常采用光电耦合器件？ 6.9 为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的 电流传输比小于1，而 由发光二极管与光电三极管构成的光电耦 合器件的电流传输比可能大于等于1？